PACS影像后处理系统准确性的评估*

2014-02-07王福龙刘爱军王海括

中国医学装备 2014年5期

王福龙刘爱军王海括王韬*

PACS影像后处理系统准确性的评估*

王福龙①刘爱军①王海括②王韬①*

目的：评估影像存档与传输系统(PACS)产品影像后处理系统的准确性。方法：选取国内3家PACS厂商的单机版产品，分别评估其CT值测量、长度测量、角度测量及面积测量4种功能，并与北美放射协会影像处理软件eFilm2.1的测量结果进行对比；使用CT对针管进行三维重建，测量针管内径并与实际值对比。结果：eFilm2.1系统与各厂商的CT值测量结果一致；角度测量结果较为准确；长度、面积测量结果和三维重建后的长度测量结果均有误差。结论：PACS影像后处理系统的长度、面积和三维重建后的长度测量结果准确性较低，在临床诊断中仅可起到参考作用。各厂商需对PACS影像后处理系统的测量结果进行优化，以满足医疗活动的需要。

影像归档和通信系统；放射学信息系统；计算机辅助图像处理

王福龙，男，(1988- )，硕士研究生。首都医科大学附属北京天坛医院信息中心，研究方向：医学信息学。

影像存档与传输系统(picture archiving and communication systems，PACS)已被多数医院广泛应用。其影像后处理系统是医生调阅、浏览、处理医学图像的接口，具备图像的二维处理和三维处理功能，其中与临床诊断关系最为密切的有CT值、长度、角度及面积测量等功能[1-2]。然而，目前PACS产品繁多，衡量其影像后处理系统的测量结果是否准确，尚需要采用一定的方法进行评估。本研究采用对每种功能使用不同厂商的系统测量同一对象并计算误差、对比结果的方法，对PACS影像后处理系统的准确性进行评估。

1 设备与方法

1.1 设备与材料

使用3台数字X线摄影(digital radiography，DR)机，1台计算机X线断层摄影(computed tomography，CT)机，游标卡尺，几何模具，5 ml针管，造影剂等设备，采用30幅CT机拍摄的人体不同位置(头部、脊椎)的DICOM图像。选用国内3家PACS厂商(厂商A、厂商B、厂商C)的PACS影像后处理系统单机版，采用北美放射协会影像后处理软件eFilm2.1。

1.2 评估方法

(1)CT值测量。采用30幅CT机拍摄的人体不同位置(头部、脊椎)的DICOM图像，使用eFilm2.1与厂商A、厂商B和厂商C的PACS影像后处理系统在3种窗宽窗位下，对位于不同位置的骨骼、软组织和空气3个对应坐标点的CT值进行测量并截图保存，对测量结果进行横向对比。

(2)长度测量。使用经北京市计量检测科学研究院(法定计量检测机构)鉴定合格的游标卡尺，测量并拍摄记录金属尺和几何模具的宽度。使用3台DR机拍摄金属尺：1号DR机探测器面较薄，拍摄距离为100 cm，80 cm，60 cm；2号DR机为常用型，拍摄距离为100 cm，140 cm，180 cm；3号DR机探测器面较厚，拍摄距离为100 cm，120 cm。使用CT机拍摄几何模具。分别使用eFilm2.1软件，三家厂商的PACS影像后处理系统测量上述拍摄结果中尺子宽度、几何模具宽度，分别测量3次取其平均值，并与真实值对比并计算误差。

(3)角度测量。使用游标卡尺测量几何模具宽度并利用三角函数计算以下角度的真实值：①大木质方块底角；②小木质方块对角线与底边形成的夹角；③大木质方块左下点与小木质方块右上点构成线段与竖直方向夹角。采用上一步CT机拍摄的几何模具图像，使用eFilm2.1软件与厂商A、厂商B(厂商C的PACS产品无角度测量功能)测量上述角度，分别测量3次取其平均值，并与真实值对比并计算误差。

(4)面积测量。使用游标卡尺测量5 ml针管内径，计算其截面积。将针管抽满造影剂经CT机拍摄，使用eFilm2.1软件和3家厂商的PACS产品测量针管截面积，分别测量3次取其平均值，并与真实值对比并计算误差。

(5)三维重建。使用CT机对上步中的拍摄结果进行三维重建，测量针管内径3次取其平均值。使用eFilm2.1软件与厂商A、厂商B、厂商C测量针管内径3次取其平均值。将内径测量结果与真实值对比并计算误差。

2 测量结果

2.1 CT值测量结果

通过CT值测量，得到eFilm2.1软件与厂商A、厂商B和厂商C的PACS影像后处理系统测量图像的CT值结果截图和表格。eFilm2.1软件与厂商A、厂商B和厂商C的PACS测量结果相符，同一点在不同窗宽窗位的条件下CT值相同(如图1所示)，(见表1)。

图1 测量CT图像一点的CT值

表1 CT值测量结果示例

2.2 长度测量结果

使用游标卡尺测得金属尺子宽度为18.78 mm，几何模具宽度分别为49.80 mm，37.83 mm。得到eFilm2.1软件与厂商A、厂商B、厂商C的PACS测量DR机拍摄的金属尺宽度测量截图(如图2所示)、CT机拍摄的几何模具宽度测量截图(如图3示)。

图2 测量DR机拍摄的金属尺宽度

图3 测量CT机三维重建后的针管内径

统计测量结果数据，得到使用DR机拍摄金属尺时eFilm2.1软件和3家厂商的长度测量结果与真实值的对比图。计算误差，1号机拍摄结果的测量值误差较小，2号、3号机的误差较大。使用CT机拍摄几何模具时测量值误差较小(如图4所示)。

图4 eFilm2.1软件与各厂商PACS影像后处理系统测量金属尺子宽度结果与真实值对比

2.3 角度测量结果

经计算，3个角度的真实值分别为90.00o、49.77o和27.79o，得到eFilm2.1软件与厂商A、厂商B和厂商C的PACS测量角度结果截图。计算误差可见eFilm2.1软件和厂商A、厂商B的角度测量结果误差均较小(如图5所示)。

图5 eFilm2.1软件与各厂商PACS影像后处理系统的角度测量误差

2.4 面积测量结果

经测量，针管内径为12.2 mm，可得实际截面面积为116.90 mm2。得到eFilm2.1软件与厂商A、厂商B的PACS面积测量结果截图。计算误差可见eFilm2.1与厂商A、厂商B的面积测量结果误差很大(如图6所示)。

图6 eFilm2.1与各厂商PACS影像后处理系统的面积测量误差

2.5 三维重建结果

经CT三维重建后得到针管的截图。计算误差可见CT三维重建后直接测量的结果误差最小，使用eFilm2.1软件或PACS影像后处理系统的长度测量结果均有较大的误差(如图7所示)。

图7 eFilm2.1与各厂商PACS影像后处理系统的长度测量误差

3 讨论

开展PACS影像后处理系统的准确性评估，无论对企业为了解市场上的竞争对手和优化产品、对医院为尽快找到适合自己的优秀产品和合作伙伴以及对政府职能部门为了规范国内市场竞争秩序均大有益处[3]。在美国，对PACS评估有两类：①针对行业范围的PACS产品所做的评估，主要是有关效率、用户体验和功能多少的评估；②医疗机构在规划PACS项目时，针对各供应商为满足需求提出的需求方案说明书(request for proposal，RFP)所做的评估[4]。我国《医院信息系统基本功能规范》中规定了“医学影像分系统”的测量功能：提供ROI值、长度、角度、面积等数据的测量[5]。该规范是现阶段商品化医院信息系统必须达到的基本要求。《医疗器械监督管理条例》中规定，PACS应“实施再评价及淘汰制度”[6]。国内对PACS的评估和研究正处于初级阶段，如2000年上海医药信息学会举行的“产品评估会”，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院对PACS评估的指标做出的研究，2003年国家科委、信息产业部、卫生部等有关部门召开的“中国PACS标准研讨会”，“中国医院信息基本数据集标准”中与PACS相关标准的制定，中国医学装备协会举办的IHE测试等[7-8]。

PACS系统影像后处理系统作为用户接口，数据的准确性必须得到保障，才能够在诊断中起到较好的参考作用，甚至成为临床诊断的依据。本研究在PACS影像后处理系统准确性评估上做出了有益的探索。经过与中国医学装备协会的协作，收集到国内一家主流PACS厂商和两家非主流PACS厂商的单机版作为测试样本。eFilm2.1软件是北美放射协会的专业医学影像处理软件，测量依靠像素计算，其准确度、稳定性及可信度均较高，具有良好的口碑和影响力[9]。本研究将eFilm2.1软件的测量结果作为参照，客观反应出各厂商PACS产品与eFilm2.1软件的差异。

CT值是物质X射线衰减系数在CT图像上的反映，是构成CT图像的基础[10]。在CT值测量功能的评估中选取骨骼、软组织和空气3种不同位置点作为测量对象，是因为三者的CT值有明显的差异，能够涵盖CT值测量的广度。为了测试相同点在不同窗宽窗位下测量的CT值是否一致选取3种窗宽窗位。实验结果显示，eFilm2.1软件与3家厂商、在同一点而不同窗宽窗位下的CT值均为一致，而且骨骼、软组织和空气的CT值测量数值符合其大致范围。表明当今PACS产品能够准确测量CT图像上的CT值。然而，在实际应用中，由于CT系统产生的CT图像质量会受X射线硬化、电源状况、扫描参数、温度及邻近组织等因素影响，其与X射线衰减系数并非为理想的线性关系[11]。因此，CT系统提供的CT值不能保证完全准确，而PACS作为图像后处理系统，在CT图像测量的CT值同样不能作为诊断的依据，只能作为参考。

在X射线影像转变为数字图像的过程中，被摄物体的放大率受DR机的物-片距、焦点-片距以及后处理软件(如DR机软件，PACS等)算法不同的影响[12]。在长度测量功能的评估中，控制硬件、软件两种变量，即采用新、常用和旧3种DR机和CT在多种距离下进行拍摄，并分别使用不同厂商的PACS影像后处理系统测量长度。测量结果表明，1号机其物-片距较短，拍摄的图像长度测量结果较为准确，误差保持在2%以内，可以接受。2号机的焦点-片距可调距离范围较大，因此选了步长为40 cm的3种，这样产生的随机误差比1号机和3号机小(由于可调距离受限，步长设20 cm)，表明随着焦点-片距的增大，放大率减小。但2号机、3号机拍摄的图像长度测量结果误差均较大，无法作为临床诊断的依据。而eFilm2.1软件和3家厂商的测量结果各不相同，表明程序内都加入了修正算法，使用的参数可能不同。但目前的评估结果显示，当今PACS的长度测量结果很大程度上受到测量仪器放大作用的影响，其软件本身的调整算法效果并不理想，测量结果在临床诊断中只能作为参考。如果将仪器参数(如焦点-片距，物-片距等)加入到PACS长度测量结果的调整算法中，会得到更准确的结果。

在角度测量功能的评估中，所选测量对象的角度值可较方便地通过角度尺测量以及游标卡尺测量的长度计算出来。由测量结果可见，eFilm2.1软件和厂商A、厂商B的测量误差均较小，而厂商C无角度测量功能。角度测量是影像诊断所需要的常用功能之一，也是PACS图像后处理系统必须具备的功能。由于医学影像上的角度不会受DR拍摄的放大作用影响，因此大部分PACS系统的角度测量功能准确。

行血管造影时常用到血管截面积测量，或内径测量，以便辅助确定是否需要支架、耗材采购数量。本研究采用充满造影剂的针管为拍摄对象，是为了模拟血管造影的情形。测量结果显示，eFilm2.1软件和各厂商的面积测量误差均很大，无法作为临床诊断的依据。面积测量的误差与长度测量误差和面积区域的标注方式、程序本身的计算误差均具有相关性，如果可在调整长度测量算法的基础上，优化面积区域的标注方式，如采用多点标注、自由圈画曲线的方式同时改进面积计算方法，可得到更准确的结果。在针管内径的测量评估中，采用CT目前较为先进的三维重建功能，在重建后的三维图像中测量针管的内径，并与eFilm2.1软件和各PACS厂商单机版直接测量针管截面半径的结果进行对比，其结果显示的测量误差均较大。CT三维重建后图像中的测量结果误差最小，表明三维重建具有一定的抗噪、抗干扰能力[13]。

4 结语

医生能否通过PACS影像工作站得到准确的测量结果，既依赖于医院硬件设备的升级以采集更高质量的原始图像，又受PACS等影像后处理软件算法的影响[14-15]。本研究结果表明，当今PACS影像后处理系统的测量结果仍存在一定的误差，只能起参考作用，在医疗活动和科研工作中仅可作为参考软件。更多针对PACS系统准确性评估的工作有待继续进行，以加强卫生信息化的规范管理，保护医生和患者的利益，保障医疗活动顺利进行，推动和指导医院信息化建设；同时能够敦促PACS厂商不断改进算法，提供更加精确的测量结果以满足医疗活动的需求。

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Accuracy assessment on the PACS image processing system

WANG Fu-long, LIU Ai-jun, WANG Hai-kuo, et al// China Medical Equipment,2014,11(5):13-16.

Objective:To do the assessment on the accuracy of PACS Image Processing System.Methods:Choose stand-aloneVersions of three PACS manufacturers, evaluate the accuracy of the functions of CTValue, length, angle and area measurement by comparing the measurement results with eFilm, an image processing software designed by the Radiological Society of North America. Generate three-dimensional reconstruction of needle tube, and contrast between measureValue and trueValue of internal diameter.Results:The functions of CTValue and angle measurement are accurate, while the length, area measurement functions are not accurate.Conclusion:The result of evaluation proves that the length and area measurement function of PACS Image Processing System is low, which can’t become a clinical diagnosis and need improvement. The assessment of the accuracy of PACS Image Processing System has far-reaching significance to the healthy development of PACS systems.

Picture archiving and communication systems; Radiology information systems; Image processing; Computerassisted

1672-8270(2014)05-0013-04

R319

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.05.005